JP2006300294A - Cage for rolling bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、転がり軸受用保持器に関するものであり、特に、ジェットエンジンやガスタービンエンジンのギアボックス用の軸受、減速機用の高速ピニオン軸受などのように高速で使用される転がり軸受に好適な保持器に関する。 The present invention relates to a cage for a rolling bearing, and is particularly suitable for a rolling bearing used at a high speed such as a gear box bearing for a jet engine or a gas turbine engine, a high-speed pinion bearing for a reduction gear, or the like. Related to cage.
従来から、高速回転して使用される転がり軸受の保持器には、その材料として図5の保持器材料の物性値表に示すような各種の素材が用いられてきた。例えば、保持器の材料として、V・4340H(Ni−Cr−Mo鋼)やHBSC1(高力黄銅)などの比重の大きな素材が用いられる場合がある(特許文献1参照)。この場合、転がり軸受の回転に伴い当該保持器も回転し、その遠心力によって当該保持器の内部に内部応力(フープ応力)が発生する。上記のような比重の大きな素材からなる保持器の場合、回転による遠心力が大きく作用するため、フープ応力もそれに伴って大きくなる。また、例えばジェットエンジンやガスタービンエンジンなどの転がり軸受に前記保持器が用いられる場合、当該転がり軸受とともに当該保持器も高速回転し、遠心力が大きく作用するため、フープ応力は大きくなる。そして、転がり軸受がさらに高速回転を続け、保持器が遠心力の影響を受け続けると、保持器は内部に発生するフープ応力に耐えられなくなり、回転中に破損してしまう場合がある。 Conventionally, various materials as shown in the physical property value table of the cage material in FIG. 5 have been used for the cage of the rolling bearing used at high speed. For example, a material having a large specific gravity such as V · 4340H (Ni—Cr—Mo steel) or HB S C1 (high strength brass) may be used as the material of the cage (see Patent Document 1). In this case, the retainer also rotates with the rotation of the rolling bearing, and an internal stress (hoop stress) is generated inside the retainer due to the centrifugal force. In the case of a cage made of a material having a large specific gravity as described above, since centrifugal force due to rotation acts greatly, the hoop stress also increases accordingly. In addition, when the cage is used in a rolling bearing such as a jet engine or a gas turbine engine, the cage also rotates at a high speed together with the rolling bearing, and the centrifugal force acts greatly, so that the hoop stress increases. If the rolling bearing continues to rotate at a higher speed and the cage continues to be affected by centrifugal force, the cage may not be able to withstand the hoop stress generated inside and may be damaged during rotation.
そこで、例えば、保持器の材料としてAl合金(A6061)、エンジニアリングプラスチック(PEEK)などの比重の小さな素材を用いることも考えられる(特許文献2参照)。この場合、当該保持器は回転する際の遠心力が小さくなるため、当該保持器の内部に発生するフープ応力も小さくなる。しかしながら、当該保持器では、高速回転に耐え得る高温強度特性や潤滑特性、摩耗特性を十分得ることはできない。 Therefore, for example, a material having a small specific gravity such as an Al alloy (A6061) or engineering plastic (PEEK) may be used as the material of the cage (see Patent Document 2). In this case, since the centrifugal force when the cage rotates is small, the hoop stress generated inside the cage is also small. However, the cage cannot sufficiently obtain high-temperature strength characteristics, lubrication characteristics, and wear characteristics that can withstand high-speed rotation.
このような不都合を解消するための方策として、例えば図4に示すように、軽金属の中でも、比重が小さく、比強度に優れたMg合金(AZ31A)を保持器2の材料として用いた上で、当該保持器2に表面処理を施し、潤滑特性や摩耗特性を向上させることが考えられる。この場合、保持器2の表面処理により、例えば、トライボロジ特性(摩耗特性・摩擦特性・潤滑特性)の優れたDIAMOND LIKE CARBON被膜(以下、DLC被膜4という)を形成することによって、保持器2の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。
As a measure for eliminating such inconvenience, for example, as shown in FIG. 4, among light metals, Mg alloy (AZ31A) having a small specific gravity and excellent specific strength is used as a material for the
しかし、保持器2(Mg合金(AZ31A))は、その表面の硬さがDLC被膜4を形成する上で不十分なため、DLC被膜4と保持器2との間の密着性が弱くなってしまう。このため、保持器2の表面にDLC被膜4を形成したとしても、DLC被膜4のトライボロジ特性を十分発揮させることができない虞がある。
また、保持器2(Mg合金(AZ31A))には、その電極電位が卑である金属(マグネシウム)が含まれているため、耐食性(防食性)が弱く、その表面にDLC被膜4を施したとしても、保持器2の耐食性(防食性)を十分に確保することができない虞もある。
Further, since the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) contains a metal (magnesium) whose electrode potential is base, the corrosion resistance (corrosion resistance) is weak, and the
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、転がり軸受の高速回転時においても優れた潤滑性、耐摩耗性、耐食性(防食性)を発揮することが可能な転がり軸受用保持器を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems, and the purpose thereof is to exhibit excellent lubricity, wear resistance, and corrosion resistance (corrosion resistance) even when the rolling bearing rotates at high speed. An object of the present invention is to provide a cage for a rolling bearing.
このような目的を達成するために、本発明の転がり軸受用保持器は、当該保持器の表面のうち少なくとも軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面に、表面処理によって複数層の被膜が形成されており、最表面層の被膜と保持器との間に介在された中間層の被膜は、少なくともその硬度が保持器の硬度よりも高く設定されている。
この場合、保持器の材料には、マグネシウム合金が用いられている。また、最表面層には、DLC被膜が形成されている。
なお、中間層には、陽極酸化被膜若しくはアルミナ(Al2O3)被膜が形成されている。
In order to achieve such an object, the rolling bearing retainer of the present invention comprises a plurality of layers of coatings by surface treatment on at least the sliding contact surface with respect to the bearing ring and the sliding contact surface with respect to the rolling element, of the surface of the cage. The intermediate layer film interposed between the outermost surface layer film and the cage is set to have a hardness at least higher than the hardness of the cage.
In this case, a magnesium alloy is used as the material of the cage. A DLC film is formed on the outermost surface layer.
Note that an anodic oxide coating or an alumina (Al 2 O 3 ) coating is formed on the intermediate layer.
本発明によれば、転がり軸受用の保持器に表面処理を施し、複数層の被膜を形成することで、転がり軸受の高速回転時においても、保持器は、優れた潤滑性、耐摩耗性、耐食性(防食性)を発揮することができる。 According to the present invention, the cage is provided with excellent lubricity, wear resistance, even during high-speed rotation of the rolling bearing by applying a surface treatment to the rolling bearing cage and forming a multilayer coating. Corrosion resistance (corrosion resistance) can be exhibited.
以下、本発明の一実施形態に係る転がり軸受用保持器について、添付図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態の転がり軸受用保持器2には、その表面全体に表面処理が施されており、例えば2層の被膜4,6が形成されている。なお、以下の説明において、被膜6を中間層、被膜4を最表面層という。
Hereinafter, a rolling bearing retainer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, the rolling
保持器2の材料としては、例えば、軽金属の中でも比重が小さく、比強度に優れたマグネシウム合金(Mg合金)を用いることができるが、本実施形態では一例として、ASTM(American Society for Testing and Material:アメリカ材料試験協会)規格のMg合金(AZ31A)を用いている。図5の保持器材料の物性値表に示すように、Mg合金(AZ31A)は、比重がAl合金の約2/3、高力黄銅の約1/5にすぎない。このため、Mg合金(AZ31A)を保持器2の材料として用いると、保持器2が高速回転時に受ける遠心力を小さくすることができ、保持器2の内部に発生する内部応力(フープ応力)も小さくすることができる。また、Mg合金(AZ31A)は、比強度がAl合金の約1.5倍、高力黄銅の約3倍であるため、高速回転時における保持器2の強度を確保する材料として好適な素材である。さらに、Mg合金(AZ31A)は、他の金属素材と比較して減衰係数が大きいため、振動吸収性にも優れている。
As a material of the
中間層となる被膜6は、保持器2の表面を陽極酸化処理することにより、保持器2の表面に陽極酸化被膜6として形成されている。これにより、保持器2(Mg合金(AZ31A))が軸受鋼(例えば、高炭素クロム軸受鋼)と直に接触しなくなるため、電極電位が卑であるMg合金(AZ31A)の耐食性(防食性)の弱さを解消させることができる。なお、陽極酸化被膜6自体にも耐食性(防食性)があるため、保持器2の耐食性(防食性)を向上させることができる。
The film 6 serving as an intermediate layer is formed as an anodized film 6 on the surface of the
また、当該陽極酸化被膜6は、保持器2(Mg合金(AZ31A))の表面硬度を高めるため(当該陽極酸化被膜6の硬度が、保持器2(Mg合金(AZ31A))の硬度よりも高いため)、後述する表面処理によってDLC被膜4が形成される際に、当該陽極酸化被膜6を介してDLC被膜4と保持器2との間の密着性を高めることができる。
なお、ここでは特に陽極酸化処理の方法については限定しないが、陽極酸化工程と封孔工程があることが好ましい。また、陽極酸化被膜6の膜厚は、10〜15μmであることが好ましい。
Further, the anodic oxide coating 6 increases the surface hardness of the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) (the hardness of the anodic oxide coating 6 is higher than the hardness of the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)). Therefore, when the
In addition, although it does not specifically limit about the method of an anodizing process here, it is preferable that there exist an anodizing process and a sealing process. Moreover, it is preferable that the film thickness of the anodized film 6 is 10-15 micrometers.
陽極酸化被膜6の表面には、最表面層を構成するDLC被膜4が形成されている。DLC被膜4は、トライボロジ特性(摩耗特性・摩擦特性・潤滑特性)に優れているため、保持器2の最表面層(本実施例では、陽極酸化被膜6の表面)にDLC被膜4を形成することで、保持器2の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。なお、当該DLC被膜4には、クロム(Cr)とタングステン(W)が含有されている。
On the surface of the anodic oxide coating 6, a
ここで、保持器2(Mg合金(AZ31A))の摩擦特性について、一例として、Mg合金(AZ31A)ディスク12を用いてピンオンディスク試験装置により測定した(図3(a)に示す試験装置参照)。この場合、Mg合金(AZ31A)ディスク12として、中間層被膜(陽極酸化被膜6)の表面に最表面層被膜(DLC被膜4)が形成されたMg合金(AZ31A)ディスク(以下、実施形態例1のディスクという)と、表面に何ら被膜処理を施していないMg合金(AZ31A)ディスク(以下、比較例のディスクという)とを用いた。当該試験では、ピン10の種類として表面に被膜処理を施していないAISI(American Iron and Steel Institute:アメリカ鉄鋼協会)規格の耐熱高速度鋼材(M50材)を使用し、実施形態例1及び比較例のディスクを速度1000rpmで回転させ、当該ディスク表面にピン10から39.2kgfの荷重を加えた(図3(b)に示す測定条件参照)。なお、この場合、Mg合金(AZ31A)ディスク12の直径φを55mm、ピン10の先端を曲率半径R=4mmの曲面として、ディスク12の中心からの距離L=15mmの位置でピン10の先端をディスク表面に当接させている(図3(a)参照)。
Here, as an example, the friction characteristics of the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) were measured by a pin-on-disk test apparatus using an Mg alloy (AZ31A) disk 12 (see the test apparatus shown in FIG. 3A). ). In this case, as the Mg alloy (AZ31A)
測定の結果、実施形態例1のディスク表面の摩擦係数は0.2〜0.3で、比較例のディスク表面の摩擦係数0.8〜1.0の約1/5〜1/3となった(図3(c)に示す測定結果参照)。また、試験後の実施形態例1のディスク表面には損傷は見られず、凝着(損傷)が観察された比較例のディスク表面とは、顕著な相違があった(同測定結果参照)。
したがって、保持器2の表面(Mg合金(AZ31A)の表面)に中間層となる陽極酸化被膜6を形成し、さらに当該陽極酸化被膜6の表面に最表面層となるDLC被膜4を形成することで、保持器2の耐摩擦性を向上させることができる。
As a result of the measurement, the friction coefficient of the disk surface of Example 1 is 0.2 to 0.3, which is about 1/5 to 1/3 of the friction coefficient 0.8 to 1.0 of the disk surface of the comparative example. (See the measurement results shown in FIG. 3 (c)). Further, no damage was observed on the disk surface of Example 1 after the test, and there was a significant difference from the disk surface of the comparative example in which adhesion (damage) was observed (see the same measurement result).
Therefore, the anodic oxide coating 6 serving as an intermediate layer is formed on the surface of the cage 2 (the surface of the Mg alloy (AZ31A)), and further the
また、本発明は、上述の実施形態に限定されず、以下のように変更することができる。上述の実施形態例では、中間層として陽極酸化被膜6を形成したが、これに代えて、例えば図2に示すように、中間層としてアルミナ(Al2O3)被膜8を形成してもよい。この場合、アルミナ(Al2O3)被膜8の形成方法としては、例えば、カロライジング処理を適用することができる。なお、カロライジング処理とは、材料の表面にAl素材を拡散浸透させる処理であり、これを保持器2の表面(Mg合金(AZ31A)の表面)に対して施すことで、保持器2の表面にアルミナ(Al2O3)被膜8を形成することができる。
Moreover, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change as follows. In the above-described embodiment, the anodic oxide coating 6 is formed as the intermediate layer. Instead, for example, as shown in FIG. 2, an alumina (Al 2 O 3 )
これにより、保持器2(Mg合金(AZ31A))が軸受鋼(例えば、高炭素クロム軸受鋼)と直に接触しなくなるため、電極電位が卑であるMg合金(AZ31A)の耐食性(防食性)の弱さを解消させることができる。なお、アルミナ(Al2O3)被膜8自体にも耐食性(防食性)があるため、保持器2の耐食性(防食性)を向上させることができる。
また、当該アルミナ(Al2O3)被膜8は、保持器2(Mg合金(AZ31A))の表面硬度を高めるため(当該アルミナ(Al2O3)被膜8の硬度が、保持器2(Mg合金(AZ31A))の硬度よりも高いため)、表面処理としてDLC被膜4が形成される際に、当該アルミナ(Al2O3)被膜8を介してDLC被膜4と保持器2との間の密着性を高めることができる。
As a result, the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) does not come into direct contact with the bearing steel (for example, high carbon chrome bearing steel), so the corrosion resistance (anticorrosion) of the Mg alloy (AZ31A) whose electrode potential is base. Can be resolved. Since the alumina (Al 2 O 3 ) coating 8 itself has corrosion resistance (corrosion resistance), the corrosion resistance (corrosion resistance) of the
Further, the alumina (Al 2 O 3 ) coating 8 increases the surface hardness of the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) (the hardness of the alumina (Al 2 O 3 )
このように、中間層被膜としてアルミナ(Al2O3)被膜8が形成されている場合にも、当該アルミナ(Al2O3)被膜8の表面に、最表面層としてDLC被膜4を形成することで、中間層被膜として陽極酸化被膜6を形成した場合と同様に、保持器2の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。なお、この場合も、当該DLC被膜4には、クロム(Cr)とタングステン(W)をそれぞれ含有させている。
Thus, even when the alumina (Al 2 O 3 )
また、上記保持器2(Mg合金(AZ31A))の摩擦特性についても、図3(a)に示すようなピンオンディスク試験装置により測定した。この場合、Mg合金(AZ31A)ディスク12として、中間層被膜(アルミナ(Al2O3)被膜8)の表面に最表面層被膜(DLC被膜4)が形成されたMg合金(AZ31A)ディスク(以下、実施形態例2のディスクという)を用いた。
Further, the friction characteristics of the cage 2 (Mg alloy (AZ31A)) were also measured by a pin-on-disk test apparatus as shown in FIG. In this case, as the Mg alloy (AZ31A)
実施形態例1のディスクの場合と同様の測定条件(図3(b)に示す測定条件参照)で測定した結果、実施形態例2のディスク表面の摩擦係数は0.2〜0.3であり、試験後の実施形態例2のディスク表面にも損傷は見られないという実施形態例1のディスクと同様の結果が得られた(図3(c)に示す測定結果参照)。
したがって、保持器2の表面(Mg合金(AZ31A)の表面)に中間層被膜としてアルミナ(Al2O3)被膜8を形成し、さらに当該アルミナ(Al2O3)被膜8の表面に最表面層としてDLC被膜4を形成することで、保持器2の耐摩擦性を向上させることができる。
As a result of measurement under the same measurement conditions as in the case of the disk of Embodiment 1 (see the measurement conditions shown in FIG. 3B), the friction coefficient of the disk surface of
Therefore, an alumina (Al 2 O 3 )
なお、上述した実施形態例及び変形例においては、保持器2の表面全体に表面処理を施しているが、当該保持器2の表面のうち、軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面にのみ表面処理を施してもよい。また、中間層被膜として、陽極酸化被膜6若しくはアルミナ(Al2O3)被膜8をそれぞれ1層のみ形成したが、複数層で中間層被膜を構成してもよい。例えば、複数の陽極酸化被膜6で中間層を構成してもよく、陽極酸化被膜6とアルミナ(Al2O3)被膜8とを組み合わせて中間層を構成してもよい。
また、上述した実施形態例及び変形例においては、保持器2の種類について特に限定しなかったが、例えば、冠型保持器、波型保持器、もみ抜き保持器、打ち抜き保持器など各種の保持器2を適用することができる。なお、転がり軸受としては、例えば、ラジアル軸受やスラスト軸受を適用することができる。さらに、転がり軸受に組み込む転動体としては、例えば、玉やころを適用することができる。
In the embodiment and the modification described above, the entire surface of the
In the embodiment and the modification described above, the type of the
2 転がり軸受用保持器
4 DLC被膜(最表面層被膜)
6 陽極酸化被膜(中間層被膜)
8 アルミナ(Al2O3)被膜(中間層被膜)
10 ピン
12 Mg合金(AZ31A)ディスク
2
6 Anodized film (interlayer film)
8 Alumina (Al 2 O 3 ) coating (interlayer coating)
10
Claims (5)
当該保持器の表面のうち少なくとも軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面には、表面処理によって複数層の被膜が形成されており、最表面層の被膜と保持器との間に介在された中間層の被膜は、少なくともその硬度が保持器の硬度よりも高く設定されていることを特徴とする転がり軸受用保持器。 In cages for rolling bearings,
Of the surface of the cage, at least the sliding surface with respect to the race and the sliding surface with respect to the rolling element are formed with a plurality of layers by surface treatment, and are interposed between the coating on the outermost surface layer and the cage. A cage for a rolling bearing, wherein the intermediate layer coating is set to have a hardness at least higher than the hardness of the cage.
The rolling bearing retainer according to any one of claims 1 to 3 , wherein an alumina (Al 2 O 3 ) coating is formed on the intermediate layer.
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